Расчет электродных нагревателей

Орел 2008

 

 

Cоставители:

доцент Виноградов А.В.

ассистент Колесов М.А.

 

Методические указания предназначены для студентов специальности 110302 “Электрификация и автоматизация с/х” изучающих дисциплину «СВЕТОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ». Могут рекомендоваться так же студентам других специальностей. Содержат описания лабораторных и практических работ по курсу «ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ».

 

Работа одобрена методической комиссией инженерного факультета ОГАУ (протокол № ___) в качестве методических указаний к лабораторным работам для студентов специальности 110302

 

Рецензент: к.т.н., доцент Астахов С.М.

 

 

Орел ГАУ 2008

 

Содержание

 

Практическая работа №1. Определение температуры

элементов электротермической установки (ЭТУ).

Практическая работа №2 Технико-экономическое

обоснование толщины тепловой изоляции, расчеты

коэффициента полезного действия и мощности

электронагревательной установки.

Практическая работа №3. Расчет электрических

нагревателей сопротивления по удельной мощности.

Практическая работа №4 Расчет электродных и

водонагревателей сопротивления.

Практическая работа №5 Расчет

электрообогреваемых полов.

Требования к выполнению отчета.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 1

Определение температуры элементов

электротермической установки.

 

Цель работы.1: Научиться производить расчет температуры элементов электротермической установки.

 

Содержание работы. Для усвоения методики расчета необходимо, пользуясь приведенным в методических указаниях примером, рассчитать параметры электротермической установки по данным своего варианта.

 

Пример:

Условия задачи: Теплоизоляция электрической печи состоит из слоя шамота внутри, а затем слоя вермикулита, есть внутренний и наружный металлический кожуха. Тепловой поток потерь через всю поверхность электрической печи (тепловая мощность потерь) составляет Ф_пот= 5 · 10³ Вт. Форма печи внутри и снаружи – куб с ребром l_ш.вн.=0,8м по внутренней поверхности шамота, толщина слоя шамота δ_ш=0,1м. Температура на внутренней поверхности шамота t_ш.вн.=500˚С. Температура на наружной поверхности вермикулита t_в.нар.=50˚С. Определить толщину слоя вермикулита δ_в, м.

Термическим сопротивлением теплопроводности металлических кожухов корпуса печи можно пренебречь.

Расчеты справедливы для стационарного процесса нагрева электрической печи и слоях теплоизоляции, не изменяющегося во времени. Процесс изменения температуры вдоль слоев теплоизоляции показан на рисунке 1.

 

 

Рис.1 Разрез теплоизоляционной печи.

 

Температура на границе i-того слоя t˚ _гр.сл.i многослойной стенки определяется по формуле:

,

где t^о_вн – температура на внутренней поверхности 1-го

слоя, ^оС;

Ф – постоянный тепловой поток через все слои тепло

изоляции, Вт;

- сумма полных термических сопротивлений

теплопроводности всех слоев до рассматривае

мого граничного слоя, ^оС/Вт.

Теплопроводность материала определяется по формуле:

,

где , - постоянные коэффициенты, величина которых зависит от материала изоляции, для вермикулита , , для шамота

Средняя температура изоляционных слоев, для шамота:

,

где t_ш.вн – температура на внутренней поверхности шамо

та,^оС;

t_ш.нар – температура на наружной поверхности шамота, равная температуре на внутренней поверхности вермикулита t_в.вн, и равная соответственно температуре граничного слоя t_ГР.СЛ.

Средняя температура для вермикулита:

,

где t_в.нар – температура на наружной поверхности вермикулита, ^оС.

Термическое сопротивление теплопроводности, удельное:

,

где δ – толщина тепловой изоляции, м;

λ – теплопроводность материала, Вт/К·м.

Полное термическое сопротивление теплопроводности всей площади стенки:

, К/Вт

где А – площадь поверхности, м²

Термические сопротивления определяются отдельно для каждого из слоев теплоизоляции, при этом берется средняя площадь поверхности слоя. Например, для вермикулита:

, К/Вт

Площадь поверхности А зависит от формы печи. Для печи в форме куба площадь определится:

- средняя площадь поверхности вермикулита, м².

- средняя площадь поверхности шамота, м².

 

- площадь внутренней поверхности шамота, м²

- площадь наружной поверхности шамота, м².

- площадь наружной поверхности вермикулита.

Определяем тепловой поток через всю поверхность, Вт:

где Δt^o =t₁^o-t_n^o – разность температур между внутренней поверхностью первого слоя и наружной поверхностью последнего слоя изоляции.

- суммарное термическое сопротивление тепловой изоляции, К/Вт.

В нашем случае оно определится:

Пользуясь приведенными выше формулами, определить толщину слоя вермикулита, полную толщину тепловой изоляции и ее термическое сопротивление.

 

Контрольные вопросы:

1. Поясните понятие удельной теплоёмкости, его физический смысл.

2. Каким образом влияет термическое сопротивление на температуру элемента ЭТУ.

3. С какой целью необходимо определять температуру элементов ЭТУ.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

Технико-экономическое обоснование выбора электронагревательных установок.

Цель работы.2: Научиться производить расчет температуры элементов электротермической установки.

 

Содержание работы. Для усвоения методики расчета необходимо, пользуясь приведенным в методических указаниях примером, произвести технико-экономическое обоснование выбора электронагревательной установки по данным своего варианта.

 

Упражнение. Технико-экономическое обоснование выбора электронагрева­тельных установок.

В таблице 4.1 приведены экономические показатели аккумуляционных элект­рических и жидкостных водонагревателей. Произвести технико-экономическое сравнение вариантов выбора водонагревателей для прифермской молочной на 200 голов и оценить по удельным приведенным затратам стоимость единицы теп­ла в обоих вариантах. Коэффициент отчислений на амортизацию и ремонт для электрических водонагревателей принять kэ = 0,15, для топливных kт = 0,23.

 

Таблица 4.1
	Водонагреватели
Показатели	электрические	топливные
Годовая выработка теплоты, ГДж/год, Qгод
Капиталовложения, К, руб.
Стоимость, руб/год:
Электроэнергии, Сээ		—
Топлива, Стт	—
Зарплата обслуживающего персонала, Зп, руб/год

 

Решение. Обозначим величины, относящиеся к электрическим водона­гревателям индексом «э», а к топливным индексом «т».

Отчисления на амортизацию и ремонт:

Оэа = k_а∙Кэ = 0,15∙800 =120 руб/год,

Ота = k_т∙Кт = 0,23∙1450 = 334 руб/год.

 

Ежегодные издержки:

Иэ = Оэа + Сээ + Зпэ = 120 + 2005 + 100 = 2225 руб/год,

Ит = Ота + Стт + Зпт = 334 + 1420 + 430 = 2184 руб/год.

 

Как видно, Иэ>Ит, а Кэ<Кт.

Приведенные затраты:

Зэ = Оэа + Иэ = 0,15∙800+2225 = 2345 руб/год,

Зт = Ота + Ит = 0,15∙1450 + 2184 = 2402 руб/год.

Поскольку Зэ<3т, то вариант с электрическими водонагревателями экономиче­ски более целесообразен.

Стоимость единицы теплоты:

 

Задание на самостоятельное решение. 1. Пароснабжение прифермской молочной может быть осуществлено от топливного котла КВ-300, работающего на жидком топливе, или от электродного котла КЭП-250/0,4. Тех­нико-экономические показатели обоих вариантов приведены ниже.

КВ-300 КЭП-250/0.4

Производительность по пару, кг/ч 300 334

Капиталовложения, руб 703 2502

Ежегодные издержки, руб/год 1740 771

Произвести выбор экономически целесообразного варианта и определить фактический срок окупаемости дополнительных капиталовложений в электродный котел.

 

2. В годовых издержках предыдущего примера стоимость электроэнергии, исчисленная по тарифу 1 коп./кВт-ч, составляет 90%. Сопоставить варианты при тарифе на электроэнергию 2 коп./кВт-ч.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

Определение основных параметров электронагревательных установок.

 

 

Цель работы.1: Научиться производить расчет основных параметров электронагревательных установок.

 

Содержание работы. Для усвоения методики расчета необходимо, пользуясь приведенным в методических указаниях примером, рассчитать основные параметры электронагревательной установки по данным своего варианта.

 

Упражнение. Определение основных параметров электронагревательных установок.

1. Определить полезную и установленную мощность проточного водонагре­вателя производительностью Q = 120 л/ч при начальной температуре воды t_нач= 20 °С в конечной t_кон = 90°С.

Решение. Полезную тепловую мощность водонагревателя определим по формуле

где 4,19 кДж/(кг-°С) —удельная теплоемкость воды;:

1 кг/л — плотность воды.

i₁,i₂ – начальная и конечная энтальпия воды

 

Установленная мощность:

 

Принимаем Ру=12 кВт.

Такие параметры имеет выпускаемый промышленностью проточный водона­греватель ЭПВ-2А.

2. Определить потребную мощность электрокалорифера для подогрева при­точного воздуха в свиноматочнике на 100 голов. Средняя норма воздухообмена на одну голову 15 м³/ч, температура наружного воздуха 5 ^оС, минимальная тем­пература воздуха внутри помещения 10 °С.

3. Мощность парового электродного котла 63 кВт, производительность 80 кг пара в час при давлении 98 кПа. Определить тепловой к. п. д котла

4. На прифермскои молочной, где обрабатывается 3000 л молока в сутки, предусматривается электрическая пастеризация молока. Пастеризацию проводят 2 раза в день по часу. Определить потребную мощность электрического пастеризатора.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

Расчет электродных нагревателей

 

Цель работы.1: Научиться производить расчет резистивных и электродных нагревателей.

 

Содержание работы. Для усвоения методики расчета необходимо, пользуясь приведенным в методических указаниях примером, рассчитать параметры электродного нагревателя по данным своего варианта.

 

Упражнение. Расчет электродных нагревателей.

1. Электродный водогрейный котел имеет электродную систему с четырьмя плоскими пластинами. Ширина пластины b=20 см, высота h =30 см, расстояние между пластинами l=3 см. Определить производительность и мощ­ность котла при работе с водой, имеющей σ₂₀=0,4-10^-3 См-см^-1,α=0,025^о С^-1. Начальная температура воды t₁=20°C, конечная t₂=90°С, напряжение питания 380/220 В.

 

Решение. Определим среднее значение проводимости воды (См-см^-1) в интервале температур 20—90 °С, воспользовавшись формулой:

Геометрический коэффициент электродной системы:

Производительность котла (л/ч) определим, приняв K₃/ή=1:

где с =4,19 кДж/(дц³*^ОС). Мощность по

Определим мощность по электрическим параметрам. Сопротивление воды (Ом) в электродной системе:

Мощность (кВт)

что весьма близко к полученному выше результату.

 

Задание. Рассчитать электродную систему водонагревателя производительностью 0,25 м³/ч при начальной температуре воды 10°С и конечной 80 °С. Удельная проводимость воды при 20 °С равна 0,5-Ю"³ См-см~', напряжение питания 380 В.

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5